Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Учебное пособие 800131

.pdf
Скачиваний:
14
Добавлен:
01.05.2022
Размер:
588.99 Кб
Скачать

5.3.9.В чистом германии ширина запрещённой зоны равна 0,72 эВ. На сколько надо повысить температуру по сравнению с комнатной, чтобы число электронов проводимости увеличилось в два раза ?

5.3.10.Определить удельное сопротивление полупроводника n- типа, если концентрация электронов

проводимости в

нём равна 1022 м

-3, а их подвижность

μn = 0,5 м2/В∙с.

напряжённости

электрического поля

5.3.11. При

100 В/м плотность тока через полупроводник 6∙104 А/м2. Определить концентрацию электронов проводимости в полупроводнике, если их подвижность μn = 0,375 м2/В∙с. Дырочной составляющей тока пренебречь.

5.3.12. К стержню из арсенида галлия длинной 50мм приложено напряжение 50 В. За какое время электрон пройдёт

через весь образец если подвижность электронов

μn =0,9 м2/В∙с.

5.3.13.Удельное сопротивление собственного кремния

при температуре Т=300 К равно 2000 Ом∙м, собственная концентрация носителей заряда ni=1,5 ∙1016 м-3. Чему равно при

этой температуре удельное сопротивление кремния n- типа с концентрацией электронов n=1020 м-3 ? Полагать, что подвижность электронов в три раза больше подвижности дырок и что это соотношение сохраняется как для собственного так и для примесного полупроводника с заданной степенью легирования.

5.3.14.Определить положение акцепторного уровня, если при увеличении температуры с 150 до 300 К удельное сопротивление полупроводника возросло в три раза.

5.3.15.В полупроводнике ширина запрещенной зоны 1 эВ, а уровень Ферми расположен на 0,2 эВ выше потолка валентной зоны. Чему равны вероятности обнаружения:

а) электрона у дна зоны проводимости;

б) электрона на расстоянии 3kT от дна зоны проводимости;

в) дырки у потолка валентной зоны ?

5.3.16.Эффективная масса электрона mn и mp связаны соотношением: mn = 0,1 mp = 0,02m0 определите для этого полупроводника величину эффективной плотности энергетических состояний у дна зоны проводимости и у потолка валентной зоны при температурах 50 К и 300 К.

5.3.17.Определите величину произведений эффективных масс электрона и дырки в собственном

полупроводнике с шириной запрещённой зоны 1 эВ, при температуре 300 К, ni=1,6 ∙104см -3. Сравните эту величину

сm20 .

5.3.18.Каковы, соответственно, вероятности того, что при комнатной температуре (kT=0,025 эВ) электрон займёт состояние, лежащее на 0,1 эВ выше и на 0,1 эВ ниже уровня Ферми ?

5.3.19.Уровень Ферми в полупроводнике находится на 0,3 эВ ниже дна зоны проводимости. Какова вероятность того, что при комнатной температуре энергетические уровни, расположенные на 3kT выше дна зоны проводимости, заняты электронами ? Какова вероятность того, что на уровни, расположенном у потолка валентной зоны, содержатся дырки, если ширина запрещённой зоны 1,1 эВ ?

5.3.20.Уровень Ферми полупроводника находится на 0,01эВ выше потолка валентной зоны. Рассчитать:

а) вероятность появления дырки на верхнем уровне валентной зоны при 300 К и 50 К;

б) вероятность нахождения электрона на дне зоны проводимости при 300 К при ширине запрещённой зоны полупроводника 0,67 эВ.

5.3.21.Определить положение уровня Ферми при

Т=300 К в кристаллах германия, легированных мышьяком до концентрации 1023 м -3.

5.3.22. Вычислить положение уровня Ферми WF при

300К для кристалла германия, содержащего 5 ∙1023 атомов мышьяка в 1м3.

61

62

5.3.23.Вычислить положение уровня Ферми WF для кристалла германия, содержащего 5 1022 атомов галлия в 1 м3.

5.3.24.Вычислить положение уровня Ферми WF при

100 К для кристалла германия, содержащего 5 ∙102 атомов мышьяка в 1 м3.

Контрольные вопросы

1.Что является основной причиной образования энергетических зон в твёрдом теле ?

2.Сколько электронов находится на уровне Ферми в собственном полупроводнике ? Как влияет температура на положение этого уровня ?

3.Объяснить, в чём заключается различие между вырожденным и невырожденным электронным газом.

4.Может ли удельное сопротивление полупроводников возрастать при нагревании ?

5.Объяснить характер температурной зависимости электропроводности собственного и примесного полупроводника.

6.Каков физический смысл температуры истощения примесей и температуры перехода к собственной проводимости полупроводников ?

7.Каково различие в механизмах электропроводности собственных и примесных полупроводников ?

8.Поясните суть процессов генерации и рекомбинации свободных носителей заряда в полупроводниках.

9.Что определяет условие электронейтральности ?

10.Чем определяется равновесная концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике ?

11.Что обусловливает закон действующих масс ?

12.Напишите вывод закона действующих масс для электронного и дырочного полупроводника.

13.Изобразите температурные зависимости концентрации основных и неосновных носителей. Поясните графики.

6. КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

6.1. Краткие теоретические сведения

- Контактная разность потенциалов

- k

 

kT

ln

Nа Nд

(6.1)

e

ni2

 

 

 

 

где Nа и Nд – концентрации акцепторных и донорных атомов. ni – концентрация ионизированных атомов.

Nа

 

1

; Nд

1

(6.2)

pe p

ne n

 

 

 

 

где ρp и ρn – удельное сопротивления p- и n- областей полупроводника;

μp и μn – подвижности носителей.

- Концентрация свободных электронов, способных преодолеть потенциальный барьер в кристалле n-типа:

 

 

 

(6.3)

nn n e kT

где n – концентрация свободных электронов в кристалле n – типа.

- Концентрация свободных дырок, способных преодолеть потенциальный барьер в кристалле p-типа:

 

 

 

(6.4)

pp p e kT

63

64

где p – концентрация свободных дырок в кристалле p – типа. - Когда к p-n-переходу приложено обратное напряжение

(U<0)

eU

eU

nn n e kT

,

pp p e kT

(6.5)

- Когда к p-n-переходу приложено обратное напряжение (U>0), высота потенциального барьера уменьшается на величину eU

eU

eU

nn n e kT

,

pp p e kT

(6.6)

- Уравнение вольтамперной характеристики имеет вид:

I I0 expeUпр

kT 1

(6.7)

где I0 – обратный ток насыщения; Uпр – прямое напряжение.

- Ширина области объёмного заряда для симметричного резкого p-n-перехода

 

 

2

0 Nд Na

k U

(6.8)

e

 

 

 

Nд Na

 

- Барьерная ёмкость для симметричного p-n-перехода

Cбар

S

e

0 Nд Na

 

,

(6.9)

2 Nд Na

k U

 

 

 

 

а для несимметричного перехода

Cбар

S

e 0 N

 

(6.10)

2 k

U

 

 

 

где S – площадь перехода;

N – концентрация примесей в слаболегированной области. - Ток через барьер Шотки

I I

 

eU kT

 

(6.11)

0 e

 

1

 

 

 

 

 

где U – прямое напряжение;

I0 – обратный ток насыщения контакта металлполупроводник.

6.2. Пример решения задач

Задача. В полупроводниковом Ge-приборе с p-n- переходом удельное сопротивление n-области при Т = 300К равно 10 -4 Ом∙м, а удельное сопротивление p-области – 10 -2 Ом∙м. Полагая, что переход находится в тепловом равновесии, найти падение потенциала на p-n-переходе, воспользоваться статистикой Максвелла-Больцмана.

Решение Падение потенциала на p-n-переходе

Uk

 

kT

ln

nn pp

e

ni2

 

 

 

Величину ni определяем по формуле

ni 2h3 mnmp kT 2 32 exp E2kT

Значения nn и pp определим, исходя из выражений для удельной проводимости и nn pp ni2 :

65

66

σn Ge

σn

σ p

e nn n pn p e nn n ni2

nn p ;

 

n

 

p

 

σp Ge σ pp σnp e pp p np n e pp p ni2 pp n .

отсюда

nn σn Ge

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

2e σn Ge

2e 2 ni2 n p

 

pp σ p Ge

 

 

.

 

 

 

 

 

2e σp Ge

2e 2 ni2 n p

 

подставив численные значения, получим:

 

ni2 1,7 1018 м 3 ,

nn 1,3 1023 м 3 ,

pp 1,3 1021 м 3 ,

Uk 0,48В

6.3. Задачи

6.3.1. Имеется кремниевый p-n-переход с концентрацией примесей Nд =103 Nа, причём на каждые 108 атомов кремния приходится один атом акцепторной примеси. Определить контактную разность потенциалов при температуре Т=300 К. Концентрацию атомов кремния N и

собственную концентрацию ni принять равными 5∙1022 и 1010 см-3, соответственно.

6.3.2.Вычислить для температуры 300 °С контактную разность потенциалов p-n-перехода, сформированного в фосфиде индия, если равновесные концентрации основных

носителей заряда в p- и n- областях одинаковы и равны 1017 см-3, а собственная концентрация ni=1013 см-3.

6.3.3.Определить внутреннюю контактную разность потенциалов, возникающую при соприкосновении двух

металлов с концентрацией свободных электронов n1= 5∙1022 м-3

иn2= 1∙1029 м-3.

6.3.4.Ток в цепи, состоящей из термопары сопротивлением 5 Ом и гальванометра сопротивлением 8 Ом,

равен 0,5 мА в случае, когда спай термопары помещён в сосуд с кипящей водой. Чему равна удельная термоЭДС термопары при температуре окружающей среды 20 °С?

6.3.5. В полупроводниковом германиевом диоде удельное сопротивление n- области при температуре Т=300 К равно – 10-3 Ом∙м, а удельное сопротивление p- области 10-2 Ом∙м. К p-n-переходу приложено прямое смещение U= 0,025 В. Найти плотность электронов в р- области в непосредственной близости от p-n-перехода.

6.3.6. Полагая, что удельная проводимость р- области Ge с p-n-переходом равна 104 Ом -1∙м -1, а удельная проводимость n- области – 100 Ом -1∙м -1, диэлектрическая проницаемость ε = 16 при тепловом равновесии Uk=0,5 В, вычислить ёмкость p-n-перехода, имеющего форму окружности с радиусом 0,15 мм. Вычислить также ёмкость перехода, когда к нему приложено обратное смещение, равное

0,3 В.

 

6.3.7. В сплавном p-n-переходе

в германии,

концентрация акцепторов в р- области Nd = 1,1∙1016 см -3, а концентрация доноров в n- области значительно выше. При обратном смещении в 1 В величина барьерной ёмкости 480 пФ/м2. Определить ёмкость перехода в равновесном состоянии. (Для германия ε = 16).

6.3.8. Вычислить диффузионный потенциал на сплавном p-n-переходе, состоящем из р- области с концентрацией акцепторов 1015 см-3, и n- области с концентрацией доноров 1014 см-3. Считайте, что переход находится в равновесном состоянии и при температуре 300 К все атомы примеси ионизированы полностью. Ширина запрещённой зоны в германии 0,72 эВ, Nс = 2,5 ∙1019

уровней/ см

2

(плотность

энергетических состояний)

kT = 0,026 эВ при

Т=300 К.

кремниевым p-n-переходом

6.3.9.

В

структуре с

удельное сопротивление р- области ρp = 10-4 Ом∙м, а удельное сопротивление n- области ρn = 10-2 Ом∙м. Вычислить контактную разность потенциалов φk , если подвижность дырок μp и электронов μn соответственно равна 0,05 и 0,13 м2/(В∙с), а

67

68

собственная концентрация ni = 1,38 ∙1016 м-3 при температуре Т=300 К.

6.3.10. Обратный ток насыщения контакта металлполупроводник с барьером Шотки I0 = 2 мкА. Контакт соединён последовательно с резистором и источником постоянного напряжения Uист=0,2 В. Определить сопротивление резистора R, если падение напряжения на нём UR=0,1 В. Контакт находится при температуре Т=300 К.

Контрольные вопросы

1.Что такое электронно-дырочный переход (p-n- переход) ? Какие электронно-дырочные переходы называют симметричными, а какие несимметричными? Какие электронно-дырочные переходы называют резкими, а какие плавными?

2.Как выглядят кривые распределения электрического поля и потенциала в p-n-переходе ?

3.Как выглядят кривые распределения подвижных носителей тока и объёмного заряда в p-n-переходе ?

4.Что такое контактная разность потенциалов на p-n-

переходе ?

5.Как и почему изменяется высота потенциально барьера p-n-перехода с изменением концентрации примесей в прилегающих к переходу областях ?

6.Почему термодинамическая работа выхода для полупроводника n- типа меньше, чем для полупроводника p- типа ?

7.Можно ли использовать контактную разность потенциалов, возникающую в p-n-переходе, в качестве источника напряжения ?

8.Что такое барьерная и диффузная ёмкости p-n-

перехода ?

9.В чём заключается выпрямляющее действие p-n-

перехода ?

7. ФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ

7.1. Теоретические сведения

7.1.1. Фотопроводимость полупроводников

Если на поверхность полупроводника падает световой поток мощностью W0, то количество световой энергии, поглощаемой слоем толщиной , на глубине х будет равно

dW Wdx ,

(7.1)

где W – мощность потока, падающего на слой,

α – коэффициент поглощения, численно равный относительному изменению мощности света на единице пути, проходимого им в поглощающей среде (рис. 7.1).

Интегрируя (7.1), получаем

W W0 1 r e x

(7.2)

где r – коэффициент отражения.

W0

x

dx

Рис. 7.1

Если энергия световых квантов будет больше ширины запрещённой зоны, то происходит возбуждение электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис.7.2).

69

70

Ec

Eg

ћω ћω

Ev

Рис. 7.2

Из условия

Eg

(7.3)

можно определить максимальную собственного поглощения

λmax 2 c 2 c ,Eg

где с – скорость света.

Для кремния, имеющего Eg 1.1эВ

длину волны λmax

(7.4)

, λmax 1.13мкм.

Поглощение света, вызывающее переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости, называется собственным поглощением света. В примесных полупроводниках под действием света может происходить переброс электронов с примесных уровней в зону проводимости и из валентной зоны на примесные уровни, расположенные в запрещенной зоне. Такое поглощение света называют примесным. Граница этого поглощения сдвинута в область длинных волн тем сильнее, чем меньше энергия соответствующего перехода.

Если примесные атомы уже ионизированы (что определяется температурой материала), то примесное поглощение света наблюдаться не будет. Так как температура истощения примеси падает с уменьшением энергии её ионизации, то для наблюдения длинноволнового примесного поглощения необходимо охлаждение полупроводника до

достаточно низкой температуры. Так, например, спектр примесного поглощения германия, легированного золотом (энергия ионизации примеси En= 0,08 эВ, граница поглощения

λп 9мкм) наблюдается при температуре жидкого азота (77 К),

вто время как при легировании германия сурьмой (En=0,01 эВ,

λп 135мкм) примесное поглощение можно наблюдать лишь

при гелиевых температурах (4 К).

Эффекты поглощения света находят практическое применение для создания модуляторов световых потоков, фотоприёмников и преобразователей световой энергии в электрическую.

При собственном и примесном поглощениях возникают избыточные свободные носители зарядов, приводящие к увеличению проводимости полупроводника. Процесс внутреннего освобождения электронов под действием света называется внутренним фотоэффектом. Добавочная проводимость, приобретаемая полупроводником при облучении светом, называется фотопроводимостью. Основная же проводимость, обусловленная тепловым возбуждением свободных носителей заряда, называется темновой проводимостью. Приборы, предназначенные для регистрации светового излучения по величине фотопроводимости, называются фоторезисторами.

Если в слое полупроводника поглощается световой поток W0(1-r), где W0 – мощность падающего светового потока, r – коэффициент отражения, то число носителей, генерируемых светом в единицу времени в чувствительном элементе при λ<λmax, будет равно

G W0 1 r

 

,

(7.5)

 

 

 

 

где η – квантовый выход внутреннего фотоэффекта, равный числу носителей, образующихся в среднем при поглощении одного фотона.

71

72

σф

W0

σф0

τ

t0 τ

t

 

 

 

 

IФ

V

 

RH

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 7.3

Под действием напряжения V, приложенного к фоторезистору, созданные светом носители заряда совершают дрейф и создают в цепи ток, который называют фототоком Iф . Каждый носитель заряда за время своей жизни проходит через

резистор

раз, где tпр – время пролёта, или, точнее, время

 

tпр

дрейфа носителя через резистор. Оно равно длине чувствительного элемента резистора l, делённой на скорость дрейфа vд:

tпр

 

l

 

l

 

l

2

,

(7.6)

vд

u

 

 

 

 

 

 

uV

 

где u – подвижность носителей.

Величина фототока Iф равна числу носителей G, ежесекундно генерируемых в полупроводнике под действием

света, умноженному на

 

и заряд электрона:

 

 

 

tпр

 

 

 

 

 

 

Iф eG

 

 

eG u V

 

e N u V

,

(7.7)

tпр

l

2

l

2

 

 

 

 

 

 

 

где N = G∙τ – число избыточных носителей в фоторезисторе.

Подставляя (7.5) в (7.7), получаем

W

0

1 r e uV W

0

1 r e

 

Iф

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u V .

(7.8)

 

 

l

2

 

 

 

 

hcl

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отношение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Iф

 

e1 r

u V

(7.9)

 

 

 

W0

hcl2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

характеризует чувствительность фоторезистора. Она прямо пропорциональна длине волны падающего света (вплоть до λmax), приложенному напряжению V, времени жизни носителей τ и их подвижности u и обратно пропорциональна квадрату длины чувствительного элемента фоторезистора l2.

Вследствие протекания процесса рекомбинации концентрация избыточных носителей убывает по закону

 

 

t

 

n n0

exp

 

.

(7.10)

 

 

 

 

 

По такому же закону будет происходить и спад фотопроводимости полупроводника

 

 

t

(7.11)

σф σф0

exp

 

 

 

 

 

 

 

где σф0 – стационарная (установившаяся) фотопроводимость в условиях постоянной освещённости фоторезистора.

Касательная, проведённая к кривой спада фотопроводимости σф(t) в точке t0, отсекает на оси времени отрезок, численно равный τ – времени жизни избыточных носителей. На рис. 7.3 показан также характер нарастания фотопроводимости полупроводника после включения светового импульса, описываемого следующим уравнением:

73

74

 

 

 

 

 

t

 

σ

ф σ

ф0 1 exp

 

 

.

(7.12)

 

 

 

 

 

 

 

 

В этом случае касательная, проведенная к кривой σф(t) в начале координат, отсекает отрезок, численно равный τ.

7.1.2. Эффект Холла

Эффектом Холла называется явление, состоящее в том, что при пропускании тока вдоль проводящей пластинки, помещённой перпендикулярно линиям внешнего магнитного поля, возникает поперечная разность потенциалов вследствие взаимодействия носителей заряда с магнитным полем.

Если по проводнику, имеющему форму прямоугольной пластинки, протекает электрический ток I (рис. 7.4), то в отсутствие магнитного поля разность потенциалов между мочками С и Д, лежащими на одной из эквипотенциальных поверхностей, равна нулю.

При наложении магнитного поля, индукция которого В перпендикулярна направлению тока и плоскости образца, между точками С и Д возникает разность потенциалов Vx, называемая холловской э.д.с.

При протекании тока в направлении, указанном на рис. 7.4 стрелкой, электроны совершают дрейф со скоростью vд в противоположном направлении. На каждый такой

электрон со стороны магнитного поля действует сила Лоренца

FЛ e vдB .

(7.13)

75

I

С

a

vд В

 

F

Д FЛ I

Vх

Рис. 7.4

Так как угол между vд и В равен 90˚, то численное значение FЛ составляет

FЛ evдB.

(7.14)

Под действием этой силы электроны отклоняются к внешней стороне пластины, заряжая её отрицательно; на противоположной стороне пластины накапливаются не скомпенсированные положительные заряды. Это приводит к появлению электрического поля

EХ

 

VХ

.

(7.15)

 

 

 

а

 

где VХ – холловская э.д.с.

Поле EХ действует на электроны с силой F = -e∙EХ, направленной против силы Лоренца. При F = FЛ поперечное электрическое поле уравновешивает силу Лоренца и дальнейшее накопление электрических зарядов прекращается.

Из этого условия имеем

evдB eEХ ,

(7.16)

76

 

откуда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

EХ vдB.

 

 

 

(7.17)

Учитывая, что плотность тока в проводнике

j envд ,

получаем из (7.8) значение Холловской э.д.с.

 

V

E

Х

a v

 

Ba

1

 

Bja R

Х

Bja,

(7.18)

д

 

Х

 

 

 

en

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где RХ 1 - постоянная Холла. en

Формула (3.55) справедлива только для металлов и вырожденных полупроводников, т.к. только в них электроны обладают близкими энергиями и скоростями (фермиевские электроны). Для невырожденных полупроводников постоянная Холла имеет следующий вид

RХ

 

А

,

(7.19)

 

 

 

en

 

где А – константа, которая для атомных решёток равна 1,17 при рассеянии носителей на тепловых колебаниях и 1,95 при рассеянии на ионизированных примесях.

Для полупроводников p-типа направление дрейфа носителей заряда совпадает с направлением тока. Сила Лоренца и в этом случае будет направлена от С к Д, т.к. изменяются одновременно и знак заряда и направление дрейфа носителей. Однако сила теперь действует на положительно заряженные частицы, и поэтому точка Д окажется под положительным потенциалом относительно точки С. Следовательно, по знаку холловской э.д.с. можно определить знак носителей заряда в проводнике. Условились считать знак постоянной Холла положительным, когда ток переносится дырками. С учётом этого правила постоянную Холла записывают так:

- для полупроводников p-типа с концентрацией дырок, равной p:

RХ

 

А

,

(7.20)

 

 

 

 

ep

 

- для полупроводников n-типа с концентрацией

электронов, равной n:

 

 

 

 

 

 

RХ

 

А

.

(7.21)

 

 

 

 

en

 

Для полупроводника со смешанной проводимостью, когда концентрации электронов и дырок сравнимы друг с другом, постоянная Холла вычисляется из соотношения

RХ

А

 

u2p p un2n

 

 

 

,

(7.22)

e

pup nun 2

которое переходит в (7.20) при р>>n и в (7.21) при n>>р.

Для собственных полупроводников, в которых n=p=ni соотношение (7.22) приобретает вид

RХ

А

 

up

un

.

(7.23)

en

u

p

u

n

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

Обычно подвижность электронов выше подвижности дырок, поэтому знак постоянной Холла является, как правило, отрицательным.

Умножая постоянную Холла на удельную электропроводность проводника σ enu , получаем

RХ σ Аu,

(7.24)

откуда определяется подвижность заряда.

77

78

7.1.3. Эффекты сильного поля

Сообщая свободным носителям заряда скорость направленного движения vд, электрическое поле E совершает работу над коллективом этих носителей, увеличивая их энергию. Если, например, ток переносится электронами, то за единицу времени в единице объёма от электрического поля электронному газу передаётся энергия W, равная

W nvдF envд E ,

(7.25)

где n – концентрация электронов;

F – сила, действующая на электрон со стороны поля, численно равна eE.

Так как вследствие рассеяния электронов на дефектах решётки их движение становится беспорядочным, энергия поля переходит в энергию беспорядочного теплового движения электронов, вызывая повышение температуры электронного газа – его разогрев. Электроны, движущиеся в решётке, все время обмениваются энергией с атомами решётки. Этот обмен происходит путём поглощения и испускания квантов энергии колебаний решётки – фононов. В состоянии теплового равновесия, когда температуры электронного газа и решётки одинаковы, устанавливается равновесие между процессами испускания и поглощения фононов: их поглощается столько, сколько испускается. С повышением температуры электронного газа испускание фононов начинает превалировать над поглощением и возникает преимущественная передача энергии от электронов решётке, протекающая тем интенсивнее, чем больше разность температур между электронным газом и решёткой.

Таким образом, при включении внешнего электрического поля электронный газ начинает разогреваться. Вместе с этим возникает и непрерывно растёт передача тепла от электронов решётке. В конце концов, устанавливается стационарная

разность температур ΔT между электронным газом и решёткой, причём тем большая, чем выше напряжённость электрического поля E. В стационарном состоянии количество энергии, получаемой электронами от поля, равно количеству энергии, передаваемой ими решётке и выделяющейся в виде тепла. Согласно (7.25) в единице объёма проводника в единицу времени должно выделиться следующее количество тепла:

W envд E enun E2 σE2

iE.

(7.26)

Соотношение (7.27) выражает известный закон ДжоуляЛенца. Пока напряжённость электрического поля E мала, так что повышение температуры электронного газа Т относительно невелико (ΔТ/Т0<<1, где Т0 – начальная температура), среднюю скорость теплового движения электронов <v> можно считать неизменной и независящей от E. Тогда подвижность носителей и электропроводность также не должны зависеть от поля, вследствие чего должен выполняться закон Ома: ток в проводнике пропорционален приложенному напряжению.

Если же напряжённость электрического поля возрастает настолько сильно, что температура электронного газа существенно повышается (ΔТ ≥ Т0), то наступает и существенное отклонение от закона Ома. Практически это происходит в полях напряжённостью 103-104 В/см.

Увеличение <v> в электрическом поле приводит к уменьшению подвижности электронов, если их длина свободного пробега не зависит от <v>. Для атомных кристаллов это условие выполняется тогда, когда основным механизмом рассеяния носителей является рассеяние на тепловых колебаниях решётки. Уменьшение подвижности с ростом напряжённости поля E приводит в этом случае к замедлению роста тока с напряжением и, как показывает эксперимент, к насыщению скорости свободных носителей заряда в сильных полях (рис. 7.5). Для германия и кремния дрейфовая скорость насыщения равна приблизительно 107см/c.

79

80